CC BY
5
БОТ: 10.15587/2312-8372.2017.105637
ДОСЛ1ДЖЕННЯ НАПЛАВЛЕНИХ ПРЕС-ФОРМ, ЩО В1ДПРАЦЮВАЛИ СВ1Й РОБОЧИЙ РЕСУРС
Блохша I. О.
1. Вступ
Одшею з найважливiших завдань промислового виробництва в Укра1ш е пiдвищення якост продукци, скорочення трудовитрат, витрат енергп та матерь алiв. Велике значення мае можливють застосування рiзних способiв наплавлен-ня з метою ремонту та отримання поверхонь шструменлв i деталей, що пра-цюють в екстремальних умовах [1]. До таких виробiв вiдносяться i прес-форми для виробництва скляних iзоляторiв, а також оснащення для гарячо! обробки тиском кольорових меташв [2]. Робоча поверхня прес-форми шддаються не тiльки впливу високих температур i рiзкому 1х перепаду, але i хiмiчному впливу агресивного середовища. Тому для вщновлення зношених поверхонь придшя-еться особлива увага як складу i структурi наплавленого металу, так i яюсному нанесенню його на поверхню виробу. За допомогою проведених дослiджень можно зменшити ймовiрнiсть утворення трiщин в наплавленому шарi за допомогою плазма-М1Г наплавлення.
2. Об'ект дослщження та його технологiчний аудит
Об'ект дослiдження - ремонт прес-форм за допомогою плазма-М1Г наплавлення.
Плазма-М1Г процес iз застосуванням порошкового дроту забезпечуе мак-симальну однорiднiсть наплавленого шару i заданий його хiмiчний склад вже за один прохщ. Це пояснюеться особливостями процесу, який дозволяе отримати неглибоку i широку зварювальну ванну. Однак при ремонт ранiше наплавле-них прес-форм, яю вiдпрацювали свiй робочий ресурс, наноситься шсля меха-тчно! обробки новий шар наплавочного матерiалу способом плазма-М1Г наплавлення на поверхню, що шддалася ранiше (при виготовленнi) термiчному впливу плазми. Тому наплавлений метал на вщремонтованих прес-формах зношуеться нерiвномiрно, мае рiзну структуру i твердють, що властиво багато-шаровiй наплавщ легованих сталей. Це показуе, що дослщження у цьому на-прямку е необхщними.
3. Мета та задачi дослiдження
Мета роботи - дослщити структурну неоднорiднiсть наплавленого металу та 11 вплив на працездатшсть прес-форм, для забезпечення рiвномiрноl твердос-тi по перетину наплавленого шару металу.
Для досягнення поставлено! мети необхщно виконати таю задача
1. Встановити, з яким кроком слщ вести наплавку при вщновленш прес-форм, яю працюють при термоцикшчних навантаженнях.
2. Експериментально довести, що плазма-М1Г наплавлення слщ проводити на мiнiмально можливому CTpyMi для пiдвищення швидкостi кристаизаци плавленого металу.
4. Дослiдження кнуючих р1шень проблеми
Найбiльшi можливостi управлшня складом i якiстю наплавленням мае комбшований спосiб - плазма-М1Г наплавлення. У [3, 4] доведено доцшьшсть використання в якост електрода, який плавиться, що подаеться в зону горшня полоцилшдричною плазмовою дугою, порошкового дроту. Це суттево розши-рюе можливостi плазмових процесiв.
Змiцнення поверхонь при ремонт i виготовленнi виробiв, працюючих при термоциклiчних навантаженнях в хiмiчно агресивних середовищах, викликае значш труднощi, обумовленi (в першу чергу) точним дотриманням складу на-плавлюваного матерiалу [2]. Це можливо забезпечити, застосувавши спосiб плазмового наплавлення з акЫальною подачею порошкового дроту [3].
Як вщомо, прес-форми для формування скляних iзоляторiв працюють у ва-жких промислових умовах. Вiдомий ряд матерiалiв, рекомендованих для роботи в умовах високих температур i термоцикшчних навантажень [4, 5]. Однак части-на з них, наприклад стеллта, досить дорогi, тому що мютить велику кiлькiсть кобальту. Ряд сплавiв мiстять значну кiлькiсть нiкелю, вольфраму i молiбдену, внаслiдок чого 1х застосування в промисловостi також мае обмежену область.
У роботах [1, 6] запропонована сталь для наплавлення прес-форми скляно-го виробництва типу 2Х13Н12ГС2Р2. Незважаючи на економне застосування шкелю в цш сталi, стшюсть 11 до термоциклiчних навантажень виявилася дещо нижче, чим у сплавiв на основi нiкелю. Дана сталь була взята за основу.
Вщомо, що матерiал для наплавлення прес-форми, ^м жаростiйкостi, повинен мати досить високу теплопровщшсть [6]. Найбшьш широке застосування в останнi роки знайшли наплавочнi матерiали, теплопровiднiсть яких з шдви-щенням температури зростае i досягае максимального значення при температу-рi 500 °С. Жаромiцнi наплавочнi матерiали аустенiтного класу на основi нiкелю в повнш мiрi володiють даною властивiстю. Наплавлювальш матерiали повиннi володiти також рядом технолопчних властивостей, а саме [2, 6]:
- забезпечувати гарне формування наплавленого валика;
- гарну вщдшьшсть шлаково! юрки;
- якомога меншу швидюсть утворення трiщин в наплавленому металц хо-рошу оброблюванiсть рiзанням.
В якост^ наплавлювальних матерiалiв, використовуваних для вiдновлення i змi-цнення виробiв, що працюють при високих температурах, найчастше застосовують-ся сплави на основi алюмiнiю, магнгю, мщ, залiза, нiкелю, кобальту, хрому [1, 6].
В робо^ [7] розглянуто порiвняння скла до пластику, яке може бути про-довжено на основi методу виготовлення. Два основних способи виробництва прес-форм - лиття тд тиском для пластмас та формування прецизшного скла. На сьогодшшнш день на ринку е понад 200 рiзних сортiв формованого скла для прес-форм, тодi як вибрати можна лише декшька оптичних тишв.
В робот [8] розглянуто характеристики мжропроменевого плазмово-дугового порошкового наплавлення для вщновлення прес-форм, а також досль дження основних технологiчних параметрiв. Обговорюються фактори впливу на формування зносотшкост та перераховано декiлька типових застосувань ще! ново! та передово! технологи.
В [9] розглянуто етапи вщновлювально! системи вщ початку до досягнення потрiбного наплавлення. Запропоновано та впроваджено створення вдоскона-лених систем на основi абсолютно автоматичного наповнення М1Г через робо-тотехнiку, передовi шформацшт технологiï, технологiï вiдновлення виробництва, та управлшня шляхом контролю за попередньою обробкою та оптимiзацi-ею, щоб мiнiмiзувати час. Основнi етапи цих систем включають:
1) використання вiзуального датчика;
2) перебудова криволiнiйноï поверхнi на основi даних контурiв та об'една-ноï моделi об'екпв САПР;
3) побудова моделi вщновлювального виробництва на основi моделi об'ек-тiв матерiалу САПР та проектування процесу виновного виробництва;
4) здшснення переробки деталей обробки за технолопею наплавлення MIG.
В роботi [10] розглянуто нову передову технологш плазма-М1Г наплавлення. Коротко вказуються характеристики наплавлення та використовуваного устаткування при дослщженш основних технолопчних параметрiв, обговорюються фактори впливу на формування зносостшко1" поверхш. Також перерахо-вуються декшька типових застосувань цiеï новоï та передовоï технологiï.
Таким чином, результати аналiзу дозволяють зробити висновок про те, що знос поверхневого шару прес-форм для скла вщбуваеться нерiвномiрно - нерщ-ко мае мюце полосчатий знос. Причиною такого зносу може бути наявшсть дь лянок наплавленого металу з рiзною структурою i твердiстю. Такi дшянки спо-стерiгаються при багатошаровому наплавленш легованих сталей.
5. Методи дослщжень
Способом плазми-М1Г були наплавленi зразки розробленого порошкового дроту. Зразки наплавляли в 2 шари з рiзним перекриттям сусщтх валикiв при крощ наплавлення 8, 12, 16 мм.
При вЫх варiантах наплавлення спостер^алася мартенситно-аустенитна структура наплавленого металу. А в структурi всiх зразкiв - загальна закономь рнiсть: на краях кожного наплавленого валика (по всьому периметру) аустешту було бшьше, шж в центральних областях поперечного перерiзу валика. У центрi вiн розташований невеликими прошарками мiж мартенситом, на краю -великими острiвцями. Однак i в цен^ наплавленого валика сшввщношення мартенситу i аустенiту було рiзним, розрiзнялася також i морфолопя цих струк-турних складових в окремих мжродшянках. Це пояснюеться нестабшьшстю те-рмiчного циклу наплавлення, що в свою чергу впливае не тшьки на швидюсть охолодження металу, але i на хiмiчний склад його в окремих мжрооб'емах.
На зразках з рiзним кроком наплавлення мжротвердють дiлянки, збагачена аустенiтом, трохи нижче мжротвердост всього шару (4,4 i вщповщно
мартенситу
5,2 кН/мм2); мшротвердють структурних складових 4,5...4,8 кН/мм2, аустенiту 2,8...3,0 кН/мм2.
З метою виявлення в швах мiкрохiмiчно! i структурно! неоднорiдностi вико-ристовували методику травлення зразкiв у омедняючих розчинах рiзно! концент-раци i розчинах шкриново! кислоти з синтола. Остання методика використовува-лася також для виявлення первинно! структури наплавленого валика. Вторинну структуру валика дослщжували пiсля травлення полiрованих зразюв в нiтале.
Така неоднорiднiсть структури i нерiвномiрний розподiл твердостi в на-плавленому металi е результатом теплового впливу дуги при наплавленш на-ступних валикiв поруч з попередшм з частковим !х перекриттям. Причому температура на^ву певно! дiлянки в попередньому валику по його перетину зале-жить вщ його розташування щодо лши сплавляння валиюв.
З метою встановлення впливу структури на схильшсть до утворення трь щин був проведений металографiчний аналiз зразка, вирiзаного з робочого шару наплавлено! прес-форми шсля !! експлуатацi!. Структура наплавленого мета-лу представляе собою грубоiгольчатий мартенсит з острiвцями залишкового ау-стешту. Слiд зазначити, що у цього зразка структура бшьш груба, шж у зразкiв, наплавлених в лабораторних умовах, а поверхневий шар вражений трщинами. Спостер^аеться безлiч мiкротрiщин, що з'явився в результатi розпалу.
6. Результати дослщження
Результати металографiчних дослщжень пiдтвердили наявнiсть в наплав-леному металi наступних структурних складових: залишковий аустенiт, мартенсит i евтектики, що утворюеться на межi первинно! структури (рис. 1). Аналiз результатв дослiджень хiмiчно! неоднорiднiсть в зразку наплавленого металу показав, що в зразках, вирiзаних з прес-форм, що знаходяться в експлуатацп, е хiмiчна неоднорiднiсть, пов'язана з наявнiстю рiзних структурних складових. У вихiдних зразках характер хiмiчно! неоднорiдностi аналогiчний. Одшею з причин появи трщин в наплавленому металi може бути утворення окремих широких прикордонних зон поблизу поверхш, яка перебувала в безпосередньому контакт з гарячим металом при робот прес-форми.
Рис. 1. Мжроструктура дослщжуваних зразюв
юведеш дослiдження показали, що для забезпечення рiвномiрно! твердостi по перетину наплавленого шару метал наплавлення слщ вести з мiнiмальним кроком.
З метою зменшення ширини дiлянок евтектики, що видiляеться по границi зерен, а значить i зменшення ймовiрностi утворення трiщин в наплавленому шар^ наплавку слiд проводити на мшмальному струмi. Це дозволяе iстотно т-двищити швидкiсть кристалiзацil наплавленого металу [2].
Хiмсклад наплавленого металу: Сг - 12,2-13,2 %; N1 - 11,4-11,9 %; Мп -0,8-1,2 %; Си - 1,9-2,1 %; А1 - 0,8-1,2 %; Ве - 0,6-0,8 %.
При плазма-М1Г наплавленнi розробленого порошкового дроту на оптимальному робочому режимi отримаш наступнi зварювально-технологiчнi показники:
- коефщент наплавлення аН=16-19 г/Ач;
- втрати на угар i розбризкування уУР=4-5 %;
- вихiд придатного металу КВ=91 %.
Наплавлений метал задовшьно обробляеться твердосплавним шструмен-том i мае достатню зносостiйкiсть для збереження необхiдного профiлю прес-форми в процес 11 експлуатаци.
Наплавлення проводилося на розробленому обладнаннi (рис. 2), що забезпечуе:
- оптимальнi умови проведення процесу (як при плазмовому наплавленш в автоматичному, так i в нашвавтоматичному режимах);
- збшьшення продуктивностi наплавлення;
- полiпшення якост наплавленого металу (за рахунок зниження в ньому частки основного металу);
- лжвщацш прожопв оболонки порошкового дроту при одночасному зде-шевленнi iснуючих установок.
Поставлена мета досягаеться тим, що в якост джерела живлення плазмово1 дуги застосовуеться силовий трифазний трансформатор. Живлення плазмово1 дуги змiнним трифазним струмом дозволяе вiдмовитися вiд випрямляча [11, 12].
НЭ1
чм
У52
Рис. 2. Принципова схема розроблено! установки для плазма-М1Г наплавлення
порошковим дротом: ИП - джерело живлення; НЭ1, НЭ2, НЭ3 - електроди, як не плавляться; ПЭ - електрод, який плавиться; Т1 - трифазний трансформатор; Я1, Я2 - резистори; УБ1, УБ2 - дюди
При роботi установки вiдбуваеться рiвномiрне нагрiвання електрода три-фазно! дуги, який плавиться. Це дозволяе застосовувати установку не тшьки для автоматичного, але i для напiвавтоматичного зварювання - наплавлення, коли електрод, який плавиться не мае прямолшшну форму, а установка плавля-чого пристрою на ручному пальнику неможлива. На поверхш електрода, який плавиться перюдично виникають активнi плями дуг, що збiльшуе ефективнiсть нагрiву електрода, який плавиться, прискорюе його плавлення i призводить до збiльшення частки електродного металу в наплавленому валику [11, 12].
Зменшенню глибини проплавлення основного металу сприяе i те, що струм дуги, що горить мiж електродами, якi плавляться i виробом, малий, а з сопла плазмотрона виходить потш сильно iонiзованого газу вщ дуг, що горять всере-
диш плазмотрона. Це призводить до того, що дуга електрода, який плавиться, горить в умовах вимушено1' юшзацп з надлишком вiльних носiïв зарядiв. У цих умовах забезпечуеться ïï розширення, охоплення дугою бiльшоï плошд поверхнi наплавляемого виробу, зниження щшьност теплового потоку в вирiб. В результат виходить наплавлений валик велико1' ширини з малою глибиною проплав-лення основного металу [13].
При проведенш наплавочних робгг порошковими дротами повггря вироб-ничих примщень забруднюеться рiзного роду шкiдливими для здоров'я людини видiленнями. Склад i кiлькiсть шкiдливих речовин визначаеться, як правило, складом сердечника порошкових дротв. Для виявлення концентрацп шюдли-вих речовин в повг^ робочо1' зони було проведено ряд дослщжень, при якому визначалося кiлькiсть i склад шюдливих видiлень, що утворюються при напла-вленнi розробленим порошковим дротом. Вiдбiр повiтря здiйснювався асшра-цшним способом з використанням ротаметра ПРУ-4 (Росiя). Результати прове-дених дослщжень показали, що розроблений порошковий дргг для плазма-М1Г процесу наплавлення прес-форм поряд з високими технолопчними показника-ми мае хорошi в еколопчному вiдношеннi показники.
7. SWOT-аналiз результат дослiдження
Strengths. Необхiдно вiдзначити, що отримаш результати збiльшують пра-цездатшсть прес-форм. Використання отриманих даних дозволяе вести наплавку з таким кроком, при якому забезпечуеться рiвномiрна твердють по перетину наплавленого шару металу.
Weaknesses. Слабк сторони даного дослщження полягають у тому, що не-обхщш обчислення для забезпечення рiвномiрноï твердостi по перетину наплавленого шару металу трудомютю.
Opportunities. При впровадженш на пiдприемствi результатв даного дослi-дження збiльшуеться працездатшсть прес-форм, а значить будуть меншими трудовитрати, витрати енергiï та матерiалiв на виготовлення нових прес-форм.
Threats. Складнощд у впровадженнi отриманих результапв дослiдження по-в,язанi з двома основними факторами. Перший з них - матерiальнi витрати на матерiали для досягнення необхщно1" твердостi та забезпечення необхщно1" пра-цездатностi. Другий фактор - при проведенш наплавочних робгг порошковими дротами пов^я виробничих примiщень забруднюеться рiзного роду шюдливи-ми для здоров'я людини видшеннями. Тому необхiдне застосування ротаметрiв.
8. Висновки
1. Встановлено, що при вiдновленнi прес-форм, якi працюють при термо-циклiчних навантаженнях, для забезпечення рiвномiрноï твердостi по перетину наплавленого шару металу наплавку слщ вести з мтмальним кроком на оптимальному робочому режима аН=16-19 г/Ач; уУР=4-5 %; КВ=91 %
2. Експериментально доведено, що з метою зменшення ширини дшянок евтектики, що видшяеться по межах зерен, а значить i зменшення ймовiрностi утворення трщин в наплавленому шарi, плазма-М1Г наплавлення на розробле-нiй установщ слiд проводити на мiнiмально можливому струмi 1=75-90 А.
^irepaTypa
1. Vlasov, A. F. Naplavlennia [Text]: Handbook / A. F. Vlasov, V. D. Kuznetsov, N. O. Makarenko, O. A. Bohutskyi. - Kramatorsk, 2010. - 332 p.
2. Chyharov, V. V. Doslidzhennia strukturnoi neodnoridnosti naplavlenoho metalu i yii vplyv na pratsezdatnist pres-form [Text] / V. V. Chyharov, N. O. Makarenko, K. A. Kondrashov // Pratsi 11 Mizhnarodnoi naukovoi konferentsii «Suchasni problemy elektrometalurhii stali». - 2001. - P. 102-103.
3. Makarenko, N. O. Udoskonalennia plazmotrona i ustanovky dlia plazmovoho naplavlennia [Text] / N. O. Makarenko // Avtomaticheskaia svarka. - 1998. - № 1. -P. 40-43.
4. Makarenko, N. Vosstanovlenie i ukreplenie shtampov i press-form [Text] / N. Makarenko, K. Kondrashov // Sovershenstvovanie protsessov i oborudovaniia obrabotki davleniem v metallurii i mashinostroenii. - 2001. - P. 101-103.
5. Makarenko, A. Issledovanie strukturnoi neodnorodnosti naplavlennogo metalla i ego vliianie na rabotosposobnost' press-form [Text] / A. Makarenko, V. Chigariov, K. Kondrashov // Tezisy dokladov XI mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii. -Cheliabinsk, 2001. - P. 102-103.
6. Makarenko, A. Preimushchestva ukrepleniia i vosstanovleniia press-form dlia stekla sposobom plazma-MIG naplavki [Text] / A. Makarenko, A. Kornienko, K. Kondrashov // Materialy mezhdunarodnoi nauchno-tehnicheskoi konferentsii «Inzheneriia poverhnosti i renovatsiia izdelii». - Feodosiia, 2001. - P. 126-128.
7. North, R. W. Molded curved drums and molds therefor [Text] / R. W. North // The Journal of the Acoustical Society of America. - 1980. - Vol. 67, № 6. - P. 21322132. doi:10.1121/1.384363
8. Zu-bao, Z. Micro-beam plasma arc powder surfacing [Text] / Z. Zu-bao // Advances in Thermal Spraying. - Elsevier, 1986. - P. 727-736. doi:10.1016/b978-0-08-031878-3.50080-0
9. Zhu, S. Remanufacturing system based on totally automatic MIG surfacing via robot [Text] / S. Zhu, Y. Guo, P. Yang // Journal of Central South University of Technology. - 2005. - Vol. 12, № 2. - P. 129-132. doi:10.1007/s11771-005-0024-y
10. Zu-bao, Z. Micro-beam plasma arc powder surfacing [Text] / Z. Zu-bao // Advances in Thermal Spraying. - 1986. - P. 727-736. doi:10.1016/b978-0-08-031878-3.50080-0
11. Ustanovka dlia plazmovoho naplavlennia [Text]: Patent of Ukraine № 58462A: MKI V23K9/04 / Chyharov V. V., Makarenko N. O., Kondrashov O. V., Hranovskyi O. V., Hranovskyi M. O. - Appl. № 20021210534; Filed 24.12.2002; Publ. 15.07.2003, Bull. № 7. - 5 p.
12. Zvariuvalna ustanovka [Text]: Patent of Ukraine № 41618: MKI V23K9/00 / Chyharov V. V., Makarenko N. O., Kondrashov K. O., Hranovskyi O. V. - Appl. № 2000116282; Filed 07.11.2000. Publ. 17.09.2001. - Bull. № 8. - 4 p.
13. Ustanovka plazmovoho naplavlennia [Text]: Patent of Ukraine № 47627A MKI V23K10/10: MKI V23K10/10 / Chyharov V. V., Makarenko N. O., Kondrashov K. O., Hranovskii M. O. - Appl. № 2001053573; Filed 15.05.2001; Publ. 15.07.2002, Bull. № 7. - 4 p.
